浅析纳米氧化铈粉体制备新技术

浅析纳米氧化铈粉体制备新技术
纳米氧化铈作为一种性能优异的新型功能材料，其应用前景十分广阔。

本文从固相法、液相法和气相法等三个方面简绍了纳米氧化铈粉体的制备研究现状，通过对比发现，制备出的纳米粉体，分散性差且存在团聚现象。

结合各种方法，提出了制备纳米氧化铈的新方法，从而能够有效改善纳米颗粒团聚问题。

标签：纳米粉体；氧化铈；制备；新技术
随着稀土新材料的迅速发展和广泛应用，研究纳米氧化铈的制备工艺显得尤为重要。

近年来，人们对纳米氧化铈粉体的制备进行了大量的研究工作，但许多方法仍停留在实验室研究阶段，在很大程度上限制了纳米氧化铈产品的生产和应用。

本文对国内外纳米氧化铈粉体制备方法的研究进展作一阐述，并提出了改进纳米氧化铈粉体制备的方法。

1 纳米氧化铈制备方法
目前，纳米氧化铈粉体的制备方法有很多种，根据制备条件不同大体可分为固相法、液相法和气相法三类，其中液相法是纳米氧化铈粉体制备主要采用的方法。

1.1 固相法
一般是把金属氧化物或其盐按照比例充分混合，研磨后进行煅烧，最终得到金属及金属氧化物的超细粒子。

庄稼等人[1]采用氯化铈和草酸在低热条件下进行机械力固相化学反应，制备出前驱体草酸铈，通过热重和差热分析后，在400℃下分解该前驱体得到粒度在80nm以下、表面形貌为球形、结构为立方晶系的黄色二氧化铈。

固相法是一种传统的粉体制备工艺，固相反应法的特点在于工艺比较简单，且粒度可控。

但需对样品粉碎，难免会出现粉碎后组成不均的现象。

1.2 液相法
液相法是在一均相溶液中，通过控制液相化学反应的各种条件（如反应物浓度、温度与时间等），制备前驱体的方法。

液相法主要包括化学沉淀法、溶胶-凝胶法、喷雾热分解和喷雾反应法、水热法等，其中化学沉淀法和溶胶-凝胶法是常用的方法。

1.2.1 化学沉淀法
沉淀法是液相化学制备高纯度纳米粒子的最广泛的方法，它是把沉淀剂加入金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物经过滤→干燥→焙烧等工艺，从而制得
纳米氧化物粉末。

大多数沉淀法都是基于单一的水溶液作反应介质的，其粒徑较大且分散性太好。

陈建清等[2]首次改用的醇水混合溶液替代水溶液，Ce（NO3）3·6H2O与六次甲基四胺（HMT）为原料，经70℃水浴加热制得了氧化铈沉淀前驱体，经处理得到了纳米氧化铈粉体。

李欢军等[3]对该法进行了改进，用表面活性剂做保护剂和相转移剂，避免了杂质的引入，制备了粒径分布均匀、单分散的氧化铈纳米微粒，其粒径仅有2nm～4nm。

沉淀法最大优点在于成核快和设备工艺简单，具有工业推广价值。

其不足之处在于沉淀反应、干燥和焙烧3个阶段容易出现不同程度的团聚。

1.2.2 溶胶-凝胶法
溶胶凝胶法也是制备纳米材料的常用方法，溶胶-凝胶法是指有机金属化合物或有机络合物在低温下通过聚合、水解或醇解等形成均匀的溶胶，并在一定条件下生成具有一定空间结构的凝胶，进一步热处理可得比表面积大、分散好的纳米粉体。

董相廷等[4]分别用聚乙二醇凝胶法和硬脂酸凝胶法制备出不同粒径的纳米氧化铈。

随着实验的推进，溶胶-凝胶法得到改进即配合物型溶胶-凝胶法，其中较成熟的是柠檬酸盐法。

侯文华等[5]采用改进的配合物型溶胶-凝胶法以硝酸亚铈和柠檬酸为原料制得了均匀分散的氧化铈超细粒子，其平均粒径10 nm，比表面积57 m2/g。

溶胶-凝胶法优点是具有反应温度低、产物颗粒小而纯度高，但存在一些问题，如工艺时间长，使用金属醇盐为原料导致成本较高，在热处理过程中，由于其比表面大，易团聚板结。

1.2.3 喷雾热分解和喷雾反应法
喷雾热分解法制备稀土氧化物超细粉末，因为兼具了液相法和气相法的诸多优点，但由于目前的喷雾热分解法制备的氧化物超细粉末中还存在个别空心粒子和破裂球壳，而这些不理想的粒子形貌要严格控制才能避免，这大大地阻碍了喷雾热分解法的工业化应用。

喷雾反应法是在喷雾热分解法的基础上引入水蒸气来提高液滴温度，并延缓液滴蒸发。

同时随液滴温度的升高，引入的试剂水解为草酸并与铈离子发生沉淀反应，从而得到实心球形粒子。

徐华蕊等用此方法制备实心球形氧化铈超细粉末，产物中不含空心粒子和破裂球壳，而这是传统的喷雾热分解法所不能做到的，这为稀土氧化物超细颗粒的规模生产提供一种新的方法。

1.2.4 水热法
水热法是指在特制的密闭反应容器高压釜里，采用水溶液作为介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶。

水热合成法己用于制备稀上氧化物纳米粉末。

陈建君等人在低温水
热条件下，通过一步法合成了尺寸可控的纳米氧化铈粉体，实验结果表明，改变反应温度可以很容易地控制纳米氧化铈粉体的粒度，其平均粒径约为13nm。

由于水热法制备过程不需要沉淀法中的高温焙烧处理，因此可避免粉体团聚问题，所制备的粉体纯度高，颗粒分散性强，是制备纳米氧化铈颗粒较优选择，但对设备条件要求较高。

综合来看，液相法由于反应条件温和，易于控制，能耗低，便于规模化生产，也是目前制备纳米粒子的最常用方法之一。

1.3 气相法
气相法是指两种或两种以上单质或化合物在气相中发生化学反应生成纳米级新化合物的方法。

气相法所得粉体的纯度较高、团聚较少、烧结性能也较好，（下转第页）（上接第页）其缺点是设备昂贵、产量较低等不易普及。

综合分析可知，液相法较固相法和气相法制备出纳米粉体纯净，这也是工业生产比较常用的一种方法，但唯一不足的是制备出来的产品分散性差。

这三类方法具体优缺点如表1所示。

表1制备纳米氧化铈粉体方法的优缺点
制备方法优点缺点
固相法工艺简单，污染低，产量大效率低，能耗大，配料不准
液相法工艺简单，重复性好粉体分散性差
气相法粉体纯度高，团聚少，烧结性能好设备昂贵，产量低
2 纳米氧化铈制备新技术
随着当今新型材料在热点领域的不断应用，制备出具有中空球形的纳米材料备受材料界的关注，从而得到越来越广泛的应用。

通常使用的合成中空球形纳米材料的方法有多种，如水热法和喷雾热解法等；而当前提出制备中空球形纳米材料的主要方法是模板法，模板法是在制备过程中加入表面活性剂作为模板剂的模板法，能够有效改善颗粒团聚问题，是制备超细纳米氧化铈的有效方法。

龚良玉等人选择孔道丰富的锯末和滤纸等廉价可再生的原料为模板，成功地制备出纳米氧化铈颗粒。

通过测试表明产物均为结晶性良好的球形氧化铈，样品的粒径分布范围较窄。

而对于获得中空球形的氧化铈粉体材料，该制备方法在文献中报道较少，加上其反应过程不是很复杂，成本比较低，符合纳米氧化铈其本身良好的分散性。

3 结论
目前纳米氧化铈的制备方法中，普遍存在的颗粒团聚现象、单分散性差、粒度不均匀以及性能不稳定等现象，仍是影响纳米氧化铈使用性能亟待解决的问题。

结合电化学法、气相沉积法和溶胶-凝胶法等技术，提出模板法合成中空球形的氧化铈粉体材料是一项非常重要的技术。

其中，模板法制备工艺简单、可操作性强、对环境污染小，尤其是生物模板法对环境更是没有污染，其工业前景广阔。

参考文献：
[1]庄稼等.固相反应两步法制备纳米氧化铈及其机制研究[J].中国稀土学报，2004 （5）：641-646.
[2]陈建清.超细二氧化铈制备及其化学机械抛光机理研究[D].镇江：江苏大学，2004.
[3]李欢军.一种制备均匀单分散氧化铈纳米微粒的新方法[J].分子科学学报，2000（4）：239-241.
[4]董相廷等.硬脂酸凝胶法制备氧化铈纳米粉体[J].材料科学与工程，2001（1）：99-101.
[5]侯文华等.采用不同方法制备氧化铈超细粒子-溶胶-凝胶法[J].南京大学学报（自然科学），1997（7）：487-490.。